基于剛?cè)狁詈系那耙剖讲孳囬T架系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力分析

陳海亮 宣云清

摘要：為了獲得前移式叉車門架系統(tǒng)的應(yīng)力響應(yīng)，結(jié)合到叉車在工作過程中的特性，采用了多體動(dòng)力學(xué)方法。建立了門架系統(tǒng)的剛性/柔性耦合模型，并將其集成到虛擬模型中，得到了門架系統(tǒng)的剛性/柔性耦合模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上研究叉車的前移和路面激勵(lì)對(duì)叉車門架系統(tǒng)應(yīng)力響應(yīng)的影響，與靜態(tài)分析的結(jié)果相比，從而得以驗(yàn)證模型的有效性。結(jié)果表明，叉車剛?cè)狁詈夏Ｐ透臃瞎こ虒?shí)際，路面激勵(lì)對(duì)門架的應(yīng)力響應(yīng)影響較大。

關(guān)鍵詞：剛?cè)狁詈?前移式;動(dòng)應(yīng)力;路面激勵(lì)

目前，對(duì)叉車門架的研究大多采用有限元分析的方法，改進(jìn)了叉車門架的輕量化設(shè)計(jì)，研究了前移式叉車的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型。這些研究具有一定的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)，但它們大多采用靜態(tài)力學(xué)分析，很少有具體的研究前移式叉車門架分析案例。如果不考慮彈性變形和路面激勵(lì)的影響，叉車的前向和動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)不能完全反映叉車門架的真實(shí)壓力響應(yīng)。

一、叉車概述

具有高門架的插腿式叉車是指前移式叉車，前移式叉車（以下稱為叉車）使用其自身重量作為扭矩、插腿式支腿作為支撐，以確保安全裝載和卸載。當(dāng)貨叉前后傾斜時(shí)，相對(duì)于支點(diǎn)（前輪）的載荷力會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)高度的不同，杠桿力可能會(huì)不同，作用在前輪上的重量力矩也會(huì)發(fā)生變化。因此，叉車的標(biāo)稱起重重量被校準(zhǔn)為在標(biāo)準(zhǔn)起重高度下的最大起重重量。當(dāng)叉車使用高于規(guī)定提升高度的門式平臺(tái)時(shí)，其承載能力必須相應(yīng)降低。在運(yùn)行過程中，在負(fù)載重力和慣性力的作用下，容易向前傾。在慣性離心力的作用下轉(zhuǎn)彎時(shí)，容易發(fā)生側(cè)傾，下坡或滿載全速轉(zhuǎn)彎時(shí)，側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)更大。

二、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

前移式叉車門架的三維示意圖如圖1，主要由外門架、內(nèi)門架、貨叉架和貨叉組成。內(nèi)門架可沿外門架軌道上下移動(dòng)，貨叉可沿內(nèi)門架軌道上下移動(dòng)，整個(gè)門架可沿支腿軌道前后移動(dòng)。當(dāng)貨叉達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，門架及貨叉發(fā)生彈性變形。根據(jù)這些實(shí)際的工作條件，門架和貨叉可以轉(zhuǎn)換成柔性體。

1.應(yīng)用剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)。在剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)中，剛體質(zhì)心的笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方向的歐拉角可以用來研究剛體在慣性空間中的一般運(yùn)動(dòng)，即：

式中：剛體qi的廣義坐標(biāo)矩陣;剛體σ、θ、φ的笛卡爾坐標(biāo)X、y、Z軸的角度位移;q多體系統(tǒng)的通用坐標(biāo)矩陣。對(duì)于柔性體剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，可以用有限元法建立方程。

2.前移式叉車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。為了更真實(shí)地研究前移式叉車門架的動(dòng)應(yīng)力，將門架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ团c其他部件相結(jié)合，得到了前移式叉車的整體模型。利用HyperWorks軟件在Adams中建立了門架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。在虛擬模型中，門架系統(tǒng)的剛性和柔性耦合模型與其他組件組裝，添加約束條件。根據(jù)組件之間的交互，建立了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型，模擬叉車的實(shí)際工作狀態(tài)。

三、叉車門架系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力研究

為了更真實(shí)地估算叉車門架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，可以在不同的環(huán)境下進(jìn)行仿真，比較不同的因素。本文對(duì)剛性/柔性耦合的動(dòng)態(tài)分析主要集中在門架系統(tǒng)的內(nèi)門架和貨叉。這兩種分析方法是相同的。因此，針對(duì)貨叉進(jìn)行研究，對(duì)內(nèi)門架作結(jié)論性總結(jié)。

1.靜力學(xué)分析。在對(duì)門架系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析時(shí)，必須考慮貨叉偏載和動(dòng)載荷的影響。貨叉用于計(jì)算負(fù)載由以下公式確定：

式中：貨叉計(jì)算載荷Q;叉車額定起重量P;動(dòng)載荷系數(shù)k1;貨叉偏載系數(shù)k2，K2=1.1-1.3。根據(jù)實(shí)際工況選擇K1=1.1，K2=1.2。由上式可知，貨叉計(jì)算載荷Q=6600N，取最危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析，即貨叉向前傾斜3度時(shí)的工況。為了得到更多的對(duì)比，本文采用ANSYS的暫態(tài)分析方法結(jié)構(gòu)模塊對(duì)門架系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，如圖2所示得到等效應(yīng)力云圖。圖2顯示，在0.246 67 S時(shí)，該貨叉達(dá)到最大應(yīng)力283.78 MPa。

2. 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算。采用靜態(tài)應(yīng)力法計(jì)算了門架系統(tǒng)的動(dòng)應(yīng)力。將動(dòng)力學(xué)仿真得到的動(dòng)荷載乘上相應(yīng)的有限元法計(jì)算出的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力影響系數(shù)，得到了門架系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。某點(diǎn)處的應(yīng)力表達(dá)式如下：

式中：n為荷載歷史次數(shù);σXi，σYi，τxyi應(yīng)力影響系數(shù);fi（T）荷載歷史?，F(xiàn)有的對(duì)叉車門架系統(tǒng)的分析和研究大多是對(duì)門架系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的分析，沒有區(qū)分叉車的類型，在相同的條件下進(jìn)行無差別的研究，導(dǎo)致結(jié)果的可靠性較低。在實(shí)際案例分析過程中，要充分考慮“前移狀態(tài)”和“前輪承載”的影響。在剛?cè)狁詈系幕A(chǔ)上，整合整車模型進(jìn)行前移式叉車門架系統(tǒng)的研究，即利用上述模型和軟件功能，在有無前移的環(huán)境下進(jìn)行仿真，然后利用有限元擬靜態(tài)應(yīng)力法得到危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)如圖3所示。

當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，門架系統(tǒng)向前移動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力值為289.789 4MPa，當(dāng)門架系統(tǒng)不向前移動(dòng)時(shí)，最大應(yīng)力值為289.7754MPa。為了得到叉車運(yùn)輸過程中門架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，在虛擬樣機(jī)中，將叉車以10km/h的速度在B級(jí)公路上行駛，用MATLAB生成路面隨機(jī)激勵(lì)，在ADAMS中采用if函數(shù)添加：if（time-20：AKISPL（time，0，SPLINE_1，0），AKISPL（time，0，SPLINE_1，0）并適當(dāng)修改階躍函數(shù)，使叉車在0～15s內(nèi)前進(jìn)或傾斜時(shí)受到路面的激勵(lì)，即模擬叉車在搬運(yùn)過程中向前或傾斜的工作狀態(tài);在15～20秒的范圍內(nèi)，綜合前面“前移”的影響分析，在有路面激勵(lì)的情況下，對(duì)有前移和無前移進(jìn)行仿真，得到貨叉危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間歷程如圖4和圖5所示。

由以上兩圖可知：在叉車運(yùn)載的情況下，門架系統(tǒng)前移時(shí)的最大動(dòng)應(yīng)力值為466.401 9 MPa，運(yùn)行平穩(wěn)之后的應(yīng)力值為372.354 4 MPa，激勵(lì)停止之后的最大應(yīng)力值為289.791 2 MPa;當(dāng)門架系統(tǒng)不需要前移時(shí)最大動(dòng)應(yīng)力值為460.389 9 MPa，運(yùn)行平穩(wěn)之后應(yīng)力值為362.902 4 MPa，激勵(lì)停止之后的最大應(yīng)力值為289.709 4 MPa。（1）最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在啟動(dòng)階段，約為450mpa，這是由于整個(gè)模擬過程中的加載，即有載啟動(dòng)。（2）在平穩(wěn)運(yùn)行階段，叉車門架是否向前移動(dòng)對(duì)叉車的動(dòng)應(yīng)力影響不大。最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在貨叉向前傾斜3°且提升達(dá)到最大高度時(shí)，最大應(yīng)力值為289.789 4MPa。該結(jié)果與靜力分析的危險(xiǎn)工況相同，等效應(yīng)力值為283.78mpa?？梢哉f兩者的應(yīng)力基本相等，這也驗(yàn)證了模型的正確性。（3）門架系統(tǒng)的疲勞損傷主要來自路面激勵(lì)。在有路面激勵(lì)的情況下，總的應(yīng)力趨勢(shì)與沒有路面激勵(lì)的情況大致相同。啟動(dòng)階段的應(yīng)力與無路面激勵(lì)時(shí)相比變化不大，但運(yùn)行后最大應(yīng)力分別增加到372.354MPa和362.9024MPa。也就是說，在路面激勵(lì)的影響下，門架系統(tǒng)的動(dòng)應(yīng)力明顯增大。（4）在分析中應(yīng)充分考慮路面的影響，否則會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。與貨叉的研究方法類似，內(nèi)門架在各種環(huán)境下的最大應(yīng)力如表1所示。

從表1可以看出，在不同的環(huán)境下，內(nèi)門架的應(yīng)力響應(yīng)與貨叉相似，也符合上述結(jié)論。值得注意的是，在叉車的靜態(tài)分析中，安全系數(shù)估計(jì)為1.5。在上面的例子中，Q345是內(nèi)門架材料，允許應(yīng)力計(jì)算為230MPa。表1顯示，在啟動(dòng)階段，最大應(yīng)力大于允許應(yīng)力，在運(yùn)行階段，應(yīng)力也接近允許應(yīng)力，靜態(tài)分析值表明滿足了要求。

通過在虛擬樣機(jī)中進(jìn)行仿真，得到了各環(huán)境的應(yīng)力。基于有限元方法和應(yīng)用剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)，應(yīng)用剛?cè)狁詈夏Ｐ停⒘瞬孳囆旭?、門架位置移動(dòng)和帶載大小的不同工作參數(shù)下的最大動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行比較、驗(yàn)證，應(yīng)用剛?cè)狁詈夏Ｐ透瞎こ虒?shí)踐。當(dāng)使用叉車時(shí)，避免裝載啟動(dòng)瞬間、路面激勵(lì)對(duì)門架系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力響應(yīng)有較大影響。因此，在分析時(shí)應(yīng)充分考慮路面的具體情況，否則會(huì)影響分析的準(zhǔn)確性。研究方法和結(jié)果可為叉車的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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